¿Redes de transmisión o generación distribuida?
Ing. Raúl Zeballos Ing. Mario Vignolo
Profesor Adjunto Profesor Adjunto
Facultad de Ingeniería - IIE Facultad de Ingeniería - IIE
Antecedentes históricos
En los comienzos de la industria eléctrica la necesidad de energía eléctrica en una localidad era satisfecha por la propia municipalidad a través de la instalación de generadores distribuidos en la misma.
La industria eléctrica comenzó su historia utilizando generación distribuida (GD), es decir generación situada en la propia red de distribución, muy cerca de la demanda. La generación era diseñada de tal forma de satisfacer la demanda con cierto margen de reserva (seguridad).
Más adelante, con el creciente aumento de la demanda de electricidad y debido a las economías de escala involucradas, se comenzaron a construir grandes centrales generadoras, generalmente cerca de las fuentes primarias de energía (ej. carbón, hidroeléctricas).
La gran diferencia de eficiencia entre una gran central de generación frente a una
pequeña, en aquel momento, sumado al hecho de que el margen de reserva que se debía tomar en el primer caso era menor que si se instalaba la misma potencia en forma distribuida, dieron por resultado la actual concepción de los sistemas eléctricos. Es decir, un sistema eléctrico con generadores de gran tamaño, cuya energía debe ser necesariamente transportada hacia la demanda mediante grandes redes de transmisión. Esta lógica de desarrollo ha sido sistemáticamente incentivada por el hecho que los costos de los sistemas de transmisión han sido menores que los beneficios que generan las economías de escala en la generación.
Por tanto, en esencia, la existencia de economías de escala en la generación y el hecho que su magnitud haya sido tal que superan los costos de inversión en la transmisión, han sido los factores determinantes de la topología de los circuitos eléctricos actuales. Por otra parte, en la Transmisión son obvios los incentivos para construir una única red. La influencia decisiva de las economías de escala hacen que la importancia de los costos fijos determine que en un amplio rango de capacidad, los costos medios sean
decrecientes, constituyendo en consecuencia a este sector en un monopolio natural por excelencia [1].
Finalmente, las economías de escala no han sido los únicos factores determinantes en el desarrollo pasado de los sistemas eléctricos. En la generalidad de los países, la
integración y formación de monopolios se ha debido a que el tamaño óptimo de las inversiones solo podía ser afrontado por el Estado; por lo que fue el Estado, la figura exclusiva que dominó la propiedad y el control en la dinámica de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP).
Concepción tradicional de la industria eléctrica
En el presente, disponemos de un sistema eléctrico cuya conformación es el resultado de una concepción que ha tenido vigencia por más de cincuenta años: grandes plantas de generación, generalmente ubicadas lejos de la demanda, y grandes redes de transmisión que llevan la energía generada hacia ella. En esta concepción tradicional, la producción de electricidad dentro de la industria eléctrica consiste en un proceso que consta de cuatro etapas (Generación, Transmisión, Distribución y Consumo), el cual se realiza con un orden determinado definiendo por lo tanto cuatro niveles, tal como se muestra en la Fig. 1.
Crecimiento del sistema
Es un fenómeno conocido que desde su comienzo la industria eléctrica es una industria en crecimiento continuo, debido a que la demanda de electricidad crece en forma sostenida. Esto obliga obviamente a aumentar también la generación de energía eléctrica en forma permanente.
Dentro de la concepción tradicional de la industria eléctrica, el crecimiento del sistema implica la instalación de nuevas plantas generadoras en el Nivel 1 (ver Fig. 1), en forma más o menos contínua en el tiempo, y la ampliación de las redes de transporte y
distribución de energía (Nivel 2 y Nivel 3), también en forma contínua pero con menor frecuencia.
Uno de los factores relevantes en esta lógica de desarrollo es que la toma de decisión surge de una planificación centralizada ubicada dentro del monopolio administrativo.
Sin embargo, ¿es ésta la única opción?
Para responder a esta cuestión, revisemos qué cambios se han estado procesando en la dinámica de los factores que determinaron el desarrollo pasado de los SEP
GENERACIÓN TRANSMISIÓN DISTRIBUCIÓN Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 F U J O D E E N E R G I A
Fig. 1. Concepción tradicional de la industria eléctrica.
CONSUMO
La nueva concepción de la industria eléctrica
El crecimiento del mercado eléctrico, el desarrollo de mercados de capitales y el progreso técnico acelerado, han hecho que el tamaño óptimo de las nuevas inversiones en generación disminuya en relación al tamaño del mercado y a la capacidad financiera privada [2]. En esta situación, surgen condiciones en el sector de la generación, para que su desarrollo pase a ser coordinado por el mercado. A esto se suma un énfasis generalizado en promover la competencia en el mercado de generación, en general y en particular, en el suministro de grandes consumidores.
Es esta nueva situación a la que apuntan todos los procesos de desregulación que se están dando, con mayor o menor velocidad, en el mundo.
Por otra parte, en las últimas décadas se ha producido un cambio radical en el
comportamiento de los costos de generación debido a los cambios tecnológicos. En la Fig. 2 se muestran las curvas de costos para centrales térmicas en el período 1930 -1990 [4].
Fig. 2. Curvas de costo de plantas generadoras respecto a la potencia (1930 - 1990). (Tomado de Casten, T.R. (1995) "Whither electric generation? A different view, The Energy Daily, September 7.)
Tal como se observa, si bien hasta 1980 el mínimo costo por MW se obtenía
aumentando el tamaño de la planta generadora, hacia 1990 se produce un cambio en este comportamiento obteniéndose el punto óptimo para potencias mucho menores.
Por otra parte, si observamos como se comportan las eficiencias de las distintas
tecnologías de generación actuales respecto al tamaño de la planta (Fig. 3), vemos que para algunos casos, como el de las plantas a gas, no se producen cambios importantes
en la eficiencia al variar la potencia del generador.
Es importante notar, que en el pasado, la situación no era ésta, sino que por el contrario las diferencias de eficiencia eran significativas al variar el tamaño de la planta.
En consecuencia, la situación ha cambiado respecto del pasado. Se disponen en la actualidad tecnologías que permiten generar utilizando tamaños de plantas
relativamente pequeñas respecto a la generación convencional y con menor costo por MW generado.
Es esta evolución tecnológica la que tiene una importancia estratégica clave, puesto que, la relación de eficiencia era lo que determinaba, en el pasado, las economías de escala de los generadores. Ante esta nueva situación se tiende a perder uno de los factores básicos que justificaba económicamente las grandes centrales. Particular interés se
manifiesta en observar la analogía en esta dinámica con la de los sistemas informáticos en los últimos 20 años, desde el "mainframe" de los 80' a las actuales "redes de PC".
Por otra parte, el tamaño de estos nuevos generadores no necesitan de un sistema de transmisión sino que son adecuados para conectarse directamente a la red de
distribución, siendo la energía generada por ellos consumida directamente en el lugar donde es producida. No se debe instalar entonces ninguna red de transmisión, evitando así los correspondientes costos de inversión que dicha instalación implica y las pérdidas de energía que se producirían si la red de transporte se instalara.
En consecuencia, la tendencia será a un cambio de la topología de los circuitos eléctricos de los SEP.
Una evidencia del cambio que ha ocurrido en la concepción de las plantas generadoras se observa en la Fig. 4, donde se muestra la evolución del tamaño medio de dichas plantas en los EEUU.
Tal como se observa en el gráfico, el tamaño medio de las plantas generadoras creció constantemente en el período 1920 -1949, a una tasa media anual de casi 5.5 %. Luego, en la siguiente década, la tasa se incrementó al 17 % anual, disminuyendo luego en la década posterior. Sin embargo, en la década de los 70' el incremento es
extraordinariamente notable, con un pico en el tamaño medio de las plantas de unos 150 Fig. 4. Tamaño medio de las plantas generadoras en EEUU
MW. Este período corresponde a la era de las plantas nucleares y de las plantas a carbón.
A partir de la década de los 80', el surgimiento de la tecnología del gas, conjuntamente con el fin de la era nuclear, produjeron un cambio radical en el comportamiento que se venía observando en las décadas anteriores. Tal como se puede apreciar, el
comportamiento es descendiente, llegando en 1994 a valores en el tamaño medio de las plantas generadoras inferiores a 30 MW.
En la nueva concepción de la industria eléctrica, la generación no es exclusiva del Nivel 1 y el flujo de potencia no es unidireccional como en la Fig. 1. Por el contrario,
tenemos ahora un esquema como el de la Fig. 5.
En este nuevo esquema, una parte de la energía demandada es proporcionada por los generadores centrales convencionales, mientras que otra es producida mediante GD. Diferenciamos en el esquema la autogeneración de energía, es decir aquellos casos en
GENERACIÓN TRANSMISIÓN DISTRIBUCIÓN F U J O S D E E N E R G I A
Fig. 5. La nueva concepción de la industria eléctrica.
CONSUMO
DISTRIBUCIÓN
GD AUTOGEN
que un consumidor produce energía eléctrica para sí mismo, aunque podemos considerarlo también GD.
En síntesis, existe evidencia de que ciertos factores objetivos determinantes de la dinámica de los SEP presentan variantes sustanciales respecto al pasado.
En estas condiciones y teniendo en cuenta la magnitud del mercado eléctrico nacional, sus agotadas posibilidades de explotar un recurso natural concentrado, la capacidad del mercado nacional de capitales y el acelerado avance tecnológico en la mejora de la eficiencia y el control eléctrico de los nuevos generadores, se presenta un marco más que promisorio para aventurar una nueva configuración eléctrica en el SEP nacional.
Crecimiento del sistema
Dentro de la nueva concepción de la industria eléctrica, el crecimiento de la demanda se puede satisfacer de dos formas:
• Instalando generación central convencional y ampliando las redes de transporte.
• Instalando GD.
La decisión pasa por resolver un problema técnico-económico. Realicemos algunas consideraciones generales.
Una gran central moderna conectada en la red de transmisión siempre será más eficiente que una pequeña central moderna distribuida (las economías de escala existen cuando se aumentan las dimensiones de un generador en múltiples magnitudes). Sin embargo, en una de las magnitudes claves, la eficiencia, las diferencias pueden no ser muy
importantes, tal como se observa en la Fig. 3.
Incluso, si lo que se pretende es potenciar una vieja planta generadora, probablemente los costos asociados sean mayores a si se instala una nueva planta generadora
distribuida. Esto se debe a que una de las características de los generadores distribuidos es que se producen en fábrica en forma standard y luego se instalan fácilmente en sitio, lo que reduce notablemente sus costos ("plug and play") [5].
En la evaluación de las opciones, los costos exactos que se deben evaluar son aquellos de la planta de GD contra los de la planta generadora convencional más la red de transporte asociada a esta última, tanto en costos hundidos como en mantenimiento y pérdidas acumuladas. Como ya se observó, por estar cerca de la demanda, la GD no utiliza la red de transmisión y por lo tanto evita los costos asociados con ésta.
Es importante observar también que mientras que los costos globales de construcción de las redes de transporte se han incrementado, debido al aumento en el costo de la mano de obra y de las restricciones de servidumbre, estéticas y de diseño, por el contrario, los costos en la GD han caído ya que estas plantas se construyen en forma standard y tienen gran modularidad [5].
Además de las consideraciones anteriores, debe tenerse en cuenta que la GD puede presentar beneficios adicionales al sistema eléctrico [6]:
• Reduciendo las pérdidas en las redes de distribución.
• Incrementando la confiabilidad en el suministro de energía eléctrica.
• Proporcionando control de energía reactiva y regulación de tensión en la red de distribución.
• Generando energía limpia utilizando fuentes renovables (GDR - Generación Distribuida Renovable).
• Atomizando y descentralizando la propiedad en el sector de generación, característica fundamental para incentivar la competencia.
Como consecuencia, la GD presenta varias ventajas frente a la generación central convencional. Sin embargo, la decisión última deberá ser el resultado de un estudio detallado para el caso particular en consideración.
¿Redes de transmisión o generación distribuida? ¿Existe elección?
A pesar de que la decisión entre una u otra forma de resolver la ampliación del sistema para un caso particular debiera pasar por resolver un problema de tipo
técnico-económico, la pregunta que aparece en este punto es: ¿existe la opción?, es decir, ¿es posible elegir entre una u otra de las opciones o, por el contrario, existe una opción ya condicionada?
Evidentemente, en el sector eléctrico, las imperfecciones del mercado abundan, basta observar que tanto la transmisión como la distribución son sectores de "grandes redes" y como tal monopolios naturales "por definición". Por lo tanto, Competencia y
Regulación, son actividades francamente complementarias de esta Industria, pero es la Regulación tanto en el plano normativo como en el positivo la que en última instancia determinará el grado de competencia real que exista [2].
Entonces, en la nueva industria eléctrica de competencia, el rol que juegan los marcos regulatorios es fundamental. Estos deben establecer sistemas tarifarios justos que reconozcan los costos y beneficios reales del sistema y eviten los subsidios cruzados entre los distintos agentes y la existencia de restricciones, directas o indirectas, a la entrada de nuevos agentes.
Sin embargo, lo que se observa en varios de los marcos regulatorios actuales es una concepción tradicional de la industria eléctrica, caracterizada por los cuatro niveles ya vistos (Generación - Transmisión - Distribución - Consumo). Con esta visión, se niega la nueva concepción de la industria eléctrica, que surge por los avances tecnológicos de las últimas décadas, haciendo que las estructuras tarifarias no reconozcan los costos y beneficios reales de la GD. En consecuencia, la vuelven no competitiva y deja de ser
una opción.
Esta situación ya es posible advertirla en la regulación instrumentada hasta el momento en el caso uruguayo [6].
En efecto, de acuerdo al Artículo 54 del Decreto 22/999 sobre los precios de la electricidad, se dispone que las tarifas deben reflejar: costos mayoristas, costos del sistema de transmisión y costos de distribución. Esto se interpreta como costos de generación, transmisión y distribución. Por tanto, la norma expresa la concepción que toda la energía que el distribuidor utiliza pasa necesariamente por el sistema de
transmisión. El Artículo 72 instrumenta con más detalle esta concepción confirmando el prejuicio.
En consecuencia, si un generador distribuido vende en el mercado spot, su ventaja competitiva fundamental, no usar el sistema de transmisión, no se ve reflejada, puesto que no hay ninguna distinción en la normativa que muestre de dónde proviene la energía al distribuidor.
Si se parte del principio que solo se paga por lo que se usa y de acuerdo a cuánto se usa, el generador distribuido que no transforme al nodo frontera del circuito distribuidor al cual está conectado en exportador, no debería pagar costo alguno de transmisión.
La transmisión: ¿monopolio natural o mercado de competencia?
Como ya hemos mencionado y amplia bibliografía especializada demuestra, la transmisión de los SEP han constituido hasta el presente monopolios naturales.
En los procesos de cambio regulatorios en que los mercados eléctricos están insertos, las regulaciones se enfrentan a la compleja tarea de regular un monopolio natural.
Particularmente, la complejidad también es magnificada por el hecho que la evolución tecnológica puede desarrollar fuerzas que hagan desaparecer o resentir los factores "naturales" que determinan la existencia de un monopolio [1].
Por otra parte, cuando la orientación se propone en asignar a la existencia de
competencia un valor preponderante en la asignación eficiente de recursos, los marcos regulatorios deben permitir aparecer aquellas fuerzas con la intensidad que le
corresponda y no mitigarlas con normativas rígidas que anquilosen la existencia ficticia de un monopolio.
Resulta entonces muy importante detectar y definir con precisión cuál es el factor principal que hace que una empresa deba ser catalogada como monopolio natural. En términos teóricos, debemos detectar qué hace que los costos medios de la empresa, en el rango de producción esperado sean monótonamente decrecientes. Esto por el lado de la oferta, mientras que por el lado de la demanda debemos detectar la razón que hace aparecer demanda cautiva para ese monopolio.
Para el caso del sector Transmisión, la respuesta a las interrogantes anteriores no han generado mucho debate. El alto impacto de los costos fijos frente a los variables, y la rigidez de aquellos para amplios rangos de producción (kW transmitidos) es lo que hacen que los costos medios sean decrecientes. Además, estos costos fijos son en su gran mayoría irreversibles, por lo que entonces son costos hundidos, que imponen restricciones a la entrada de competencia por el lado de la oferta.
Por el lado de la demanda, tal como se explicó al principio, la totalidad de la generación compuesta por grandes generadores, se instalaron en el sistema de transmisión. Por lo tanto, cualquier usuario que pretenda vender o comprar energía eléctrica necesita ser usuario de la transmisión, es decir, es cautivo de la misma.
Pero, por otra parte, la característica principal de la GD es que ofrece una alternativa, viable y competitiva, para que un usuario utilice energía eléctrica sin tener
necesariamente que ser usuario de la transmisión. Al agregarse este efecto, el
transmisor tiende a perder su demanda cautiva, por lo tanto, pierde uno de los factores "naturales" que lo hacían monopolio.
En estas condiciones, tiende a perder validez la determinación regulada y aislada del precio del transportista. Es más, de pretender administrar el precio, fijándolo a priori, en términos teóricos el sistema deberá tender a ajustar por cantidad demandada al transportista. En efecto, supongamos que lo fijáramos "alto", esto tiende a una suba del precio de la energía en los nodos de conexión con distribución. Pero esto lleva a un aumento de oferta en GD, que se torna más competitiva, lo que hace finalmente disminuir la energía que proviene de la transmisión ajustando así la cantidad al nuevo precio.
Evidentemente, para que esta situación se haga efectiva resulta vital que la regulación la permita y respete el factor "natural" competitivo clave de la GD y no le cargue costos de transporte a una actividad que no hace uso de ese servicio.
Conclusiones
La GD aparece como una opción a los sistemas de transmisión. Para cada caso particular habrá que decidir cuál de las dos opciones es la mejor solución desde del punto de vista técnico-económico.
Sin embargo, un marco regulatorio que no reconozca los costos y beneficios reales involucrados en el sistema eléctrico y en particular los de la GD producirá que se vuelva no competitiva y distorcionará un desarrollo eficiente del SEP.
Los marcos regulatorios deben ser lo suficientemente flexibles como para absorber la velocidad de cambio impuesta por el avance tecnológico actual. Basta recordar que en la década del 70' se afirmaba que el número de turbinas a gas medía el grado "de la falta de planificación en un SEP". Es posible afirmar que en la nueva década del 00' se dirá que el número de GD medirá el grado de "competencia que existe en un SEP".
Referencias
[1] Bitrain, E. y Saavedra, E. (1993). Rol Regulador y Empresarial del Estado. Publicación dentro de "Hacia el Estado Regulador", Oscar Muñoz, CIEPLAN, 1993. [2] Blanlot, Vivianne (1993). La regulación del sector eléctrico: la experiencia chilena. Publicación dentro de "Hacia el Estado Regulador", Oscar Muñoz, CIEPLAN,1993.
[3] Dunsky, Philippe (2000). Cogeneration and On-Site Power Production. COSPP, Issue 6. Nov-Dec 2000.
[4] Hunt, Sally and Shuttleworth, Graham (1996). Competition and Choice in Electricity. John Wiley & Sons.
[5] Willis, H. Lee and Scott, Walter G. (2000). Distributed Power Generation. Planning and Evaluation. ISBN 0-8247-0336-7. Marcel Dekker, Inc.
[6] Zeballos, Raúl y Vignolo, Mario (2000). La Generación Distribuida en el Mercado Eléctrico Uruguayo.
